II. POINCARi
Zbiór dzieł z dziedziny fizyki, wydawany pod redakcją W. ¡'iicrnacktcyn.
M. GróloinrJcierjo, ¿¡t. jialinowskieflo, Z. Slritizeutićza i IV'. Wernera.
r
I FALI- HERTZA
W y i l a h f r z a p o m o g i K a sy P o m o c y »11?; i» siV i^ > racu jłjcy ęh n a p o l u n a u k o \y y u i n ii. D -rii m cci J . M isftó u sic le g o
W ARSZAW A, li) 17.
SKŁAD i < n V M W KSIĘGARŃ! E. U | N )L I S-KI
Zbiór dzieł z dziedziny fizyki, w ydaw any pod redakcją W. Biernackiego, M. Grotowskiego, St. Kalinowskiego, Z. Straszewicza i W. Wernera.
H. POINCARE.
TEORYA MAXWELLA
I FALE HERTZA
TŁUMACZYŁ
W. MALINOWSKI.
W y d a n e z zap o m o g i K asy P o m o cy d la osó b p ra c u ją c y c h n a p o lu n a u k o w y m im . D -ra m e d . J. M ianow skiego
WARSZAWA, 1917.
SKŁAD GŁÓW NY W KSIĘGARNI E. W EN D E I S -K I.
Cena Mk. l'oO.
Czcionkami Drukarni Naukowej, Rynek Starego Miasta 11.
Gepriift uncl freigegeben Presserverwaltung W arschau den 23/7 1917.
T. N. 6459 Dr. Nr. 215.
T eorya w y jaśniająca w zajem ne oddziaływ anie na sie
bie ład u n k ó w elektrycznych poprzez ośrodki izolujące, rz u cona przez F a ra d a y ’a w luźnych zaledwo pom ysłach, w ósm ym dziesiątku ubiegłego stulecia u jęta została przez J. C. M axwell’a w konsekw entny system i w yłożona w ści
słej form ie m atem atycznej. Zam iast teoryi n aty c h m ia sto wego d zia łan ia ła d u n k ó w na odległość stopniow o zaczęły się przyjm ow ać nowe poglądy, w edług k tó rych działanie to rozchodzi się w ośrodku izolującym z szybkością blizką do szybkości św iatła, w yw ołując w nim k ró tk o trw a ły p rą d polaryzacyjny (prąd M axwell’a). P rą d y otw arte, które istn ia ły w teoryi działan ia na odległość przed M axwell’em, u stą
p iły m iejsca prądom zam kniętym w dielektrykach. Teoryi tej b rak ło jed n a k faktów dośw iadczalnych, które zm usi
ły b y fizyków do ostatecznego jej przyjęcia. E ksperym en
taln ie zdołał ją stw ierdzić dopiero Hertz. T eorya więc MaxwelPa, jakkolw iek piękna i pociągająca, powoli zyski
w ała zwrolenników . P ro p ag ato ram i jej we F ra n cy i byli M ascart i Poincare.
Przeszło połowę, bo siedem lat, swej działalności profesorskiej *) H. Poincare pośw ięcił b y ł teoryi fal; co
*) H. P o in care zajm ow ał k a ted rę fizyki teoretycznej w S o r bonie od roku 1887 do 1900. U m arł w roku 1912.
IV
rok zm ieniając przedm iot w ykładów , lem aty do nich czer
p a ł kolejno z optyki, elektryczności i elektrom agnetycznej teoryi św iatła. W y k ład y jego były spisyw ane i redago
w ane przez jego uczniów , a w ydaw ane przez związek ucz
niów i w ychow ańców „de la F aculté des sciences” . W ten sposób pow stał cały k urs fizyki teoretycznej w kilku to
m ach. Jeden z nich tra k tu je o d rg an iach elektrycznych, które stanow iły treść prelekcyi, w ygłoszonych w Sorbonie w roku 1892— 1893, a w rok później ukazały się w druku*).
W kilka lat później w w ydaw nictw ie „Scientia” wyszedł sk ró t tego tom u pod ty tu łem „L a théorie de Maxwell et les oscilations H ertiennes” , które w łaśnie ukazuje się w tłu m aczeniu polskiem.
Dziełko niniejsze jest w olne od działań i fo rm u ł m a tem atycznych, które c h a rak tery zu ją jego pierwow zór. W y liczanie pojem ności, sam oindukcyi, zależnego od nich okre
su d rg ań w ib rato ra w rozm aitych jego fo rm ach , ra c h u n e k zan ikania i rezonansu fal są tu ta j opuszczone. M atem aty
czna form a w ykładu jest w praw dzie jedyną ściśle u jm u jąc ą zjaw iska i wiążącą je ze sobą w szereg przyczynow y, jed n ak dla niew ielu czytelników dostępna, nigdy nie może być dostatecznie p o p u larn ą. Została w’ięc tu ta j całkow icie usunięta i zastąpiona szeregiem niezwykle obrazow ych i głęboko sięgających p orów nań i analogii. Pod tym wzglę
dem przewyższa nie jedno dzieło pełne rach u n k ó w , przy czytaniu którego nie każdy czytelnik potrafi m atem atyczną form ę otrzym yw anych wzorów w ypełniać treścią zjaw isk fizycznych.
Nie jest jednakże zupełnie p o p u larn ą niniejsza ksią
*) Les oscilations électriques. P aris. Geogres Carré. 1894.
żeczka: p o rów nania i analogie przeprow adzone n ap rzykład m iędzy w yładow aniam i elektrycznem i a ruchem d rg ają cym w ahadła albo m iędzy interferencyą z jednej strony fal elektrycznych w d ru ta c h a z drugiej — dźwiękowych w ru ra c h , takie analogie potrafi należycie zrozum ieć i oce
nić tylko czytelnik dość gru n to w n ie zaznajom iony ze z ja w iskam i iizycznemi w zakresie całkow itego ku rsu pełnej szkoły średniej.
Przejrzystość i jasność w ykładu, św ietność porów nań i zwięzłość form y, które zawsze charakteryzow ały w ykłady au to ra, cechują w w ysokim stopniu i niniejszą jego książkę.
Niech m i będzie wolno w yrazić serdeczne podzięko
w anie koledze m em u doktorow i W acław ow i W ernerow i za cenne uwagi i popraw ki w niniejszem tłum aczeniu.
str.
Od tłu m a c z a ... 1
R ozdział I. Ogólne w iadom ości o zjawiskach elektrycznych. 1. P ró b y m echanicznego t ł u m a c z e n i a ...1
2. Z jaw iska e le k tr o s ta ty c z n e ... 3
3. O pór p r z e w o d n i k ó w ... 6
4. I n d u k c y a ...7
5. P rzyciąganie e l e k t r o d y n a m i c z n e ... 9
Rozdział II. T eorya M axwell’a. 1. Związek m iędzy zjaw iskam i clektrycznem i i św ietlnem i . 13 2. P rą d y d i e l e k t r y c z n e ... 14
3. N atura ś w i a t ł a ... 49
Rozdział III. Fale elektryczne przed Hertzem. 1. D ośw iadczenia F e d d e r s e n a ...22
2. T eorya lord a K e l w i n a ...24
3. Różne p o r ó w n a n ia ...27
4. Z a n i k a n i e ... Rozdział IV. W ibrator Hertza. 1. O dkrycie H e r t z a ... 30
2. Zasada w i b r a t o r a ... 31
3. F orm y w ib ra to ró w ...32
4. Znaczenie iskry . . . . ' ...34
5. W pływ ś w i a t ł a ... 35
6. W pływ o l i w y ...36
7. Długość f a li“ ... 36
R ozdział V. Metody obserw acyi. 1. Zasada o b s e r w a c y i... 37
2. D ziałanie r e z o n a t o r a ...38
3. Rozm aite sposoby użycia i s k r y ... 40
4. Zjaw iska cieplne* ... 41
5. Zjaw iska m e c h a n i c z n e ... .... . 42
6. P o ró w n an ie m e t o d ... 43
7. K o l i e r e r ... 43
R o z d z ia ł VI. R o z c h o d z e n ie się fal w z d łu ż d r u tu . 1. W yw oływ anie zaburzeń w d r u c i e ... 46
2. Sposób ro zchodzenia s i ę ... 48
3. Szybkość rozchodzenia się i p r z e n i k a n i a ...49
4. D ośw iadczenia Fizeau i G o u n e l l e 'a ... 51
5. Dyfuzya p rą d u ... 53
6. D ośw iadczenia B londlot’a ... ... 54
R o z d z ia ł VII. P o m ia r d łu g o śc i fali i r e z o n a n s w ie lo k r o tn y . 1. Fale s t o j ą c e ... 58
2. Rezonans w i e l o k r o t n y ...60
3. In n e w y jaśn ien ie... 61
4. D ośw iadczenia G arbasso i Z eh n d er’a ...64
5. Pom iar z a n i k a n i a ... 65
6. D ośw iadczenia S t r i n b e r g a ... 65
7. D ośw iadczenia P é ro t’a i Jones’a ...66
8. D ośw iadczenia D écom be’a ... 67
R o z d z ia ł VIII; R o z c h o d z e n ie się w p o w ie trz u . 1. E xperim entum cru cis . . . . ...69
2. D ośw iadczenia I i a r l s r u h e ń s k i e ... 72
3. D ośw iadczenia G e n e w s k ie ...72
4. U żyw anie małego w i b r a t o r a ...73
5. N atura p ro m ie n io w a n ia ...74
R o z d z ia ł IX. R o z c h o d z e n ie się fal w d ie le k try k a c h . 1. Zależność M axwell’a ...77
2. Metody dynam iczne... 78
3. M etody s t a t y c z n e ... ... . - 7 9 4. R e z u l t a t y ... 80
5. P r z e w o d n i k i ... ... 81
6. E l e k t r o l i t y ... ... . 8 2 R o z d z ia ł X. O trz y m y w a n ie fal b a r d z o k ró tk ic h . 1. Fale bardzo k r ó t k i e ... ... 84
2. E k scv tato r Righi’e g o ... : . 84 VIII
3. R e z o n a to r y ...80
4. W ib rato r Bose’go... 87
5. O dbieracz Bose’g o ... 89
Rozdział XI. Imitacya zjaw isk św ietlnych. 1. W aru n k i i m i t a c y i ... 91
2. I n t e r f e r e n c y a ...92
3. Cienkie w a r s t w y ...93
4. Fale w t ó r n e ...94
5. U g i n a n i e ...95
6. P o l a r y z a c y a ...96
7. Polaryzacya za pom ocą o d b i c i a ... 97
8. Z a ł a m a n i e ... 98
9. O dbicie c a ł k o w i t e ...98
10. Podw ójne z a ł a m a n i e ... 99
Rozdział XII. Synteza światła. 1. Synteza ś w i a t ł a ...101
2. Inne r ó ż n i c e ... 102
3. W yjaśnienie fal w t ó r n y c h ... 104
4. Różne u w a g i ... 107
Alfabetyczny spis rzeczy i nazw isk . . . . , ...111
OGÓLNE WIADOMOŚCI O ZJAWISKACH ELEKTRYCZNYCH.
1. P róby m ech an iczn ego tłu m aczen ia. N adać zja wiskom elektrycznym w całej rozciągłości tłum aczenie m e
chaniczne, sprow adzając praw a fizyki do podstaw ow ych zasad dynam iki, jest to zadanie, o którego rozw iązanie kusiło się w ielu badaczów . Czy nie jest to jed n a k kwe- slya nieco jałow a, w której siły nasze napróżnoby się zużywały?
Gdybyż m ożna było m ieć przynajm niej nadzieję, że otrzym am y jedno tylko rozw iązaniel T aki wrynik, jako wówczas jedynie praw dziw y, nigdy nie m ógłby być k u piony za cenę zanadto wysoką. T ak jed n a k nie jest: nie
w ątpliw ie, m ożnaby wynaleźć jakiś m echanizm , k tóry d a w ałby nam więcej lub m niej doskonały obraz zjaw isk elektrostatycznych i elektrodynam icznych. Gdyby jed n ak m ożna było w ynaleźć jeden taki m echanizm , m ożnaby b y ło wynaleźć nieskończoną ilość innych.
Nie w ydaje się zresztą, żeby którykolw iek z n ich p ro stotą sw oją więcej, niż inne, n a rz u c a ł się naszem u w ybo
rowi. W d o d atk u nie m am y pow odu m niem ać, aby jeden
P o in c a re . T e o ry a M axw ell'a.
2
z nich pozw olił nam lepiej, niż inne, w ykryć tajem nice przyrody. Z tego w ynika, że wszystkie m echanizm y, jak ie m oglibyśm y sobie w yobrazić, będą m iały pewien c h a ra k te r odstręczającej sztuczności, której zresztą bliżej określić nie mogę.
Jeden z najlepiej w ykończonych pom ysłów zawdzię
czam y Maxwellowi; pochodzi on z tego czasu, gdy poglą
dy Màxwella nie p rzy b rały jeszcze ostatecznej postaci.
S kom plikow ana stru k tu ra , jak ą przypisyw ał on eterowi, sp ra w ia ła, że teorya jego b yła dziw aczną i odpychającą;
m ożna było sądzić, że się czyta opis w arsztatu z kołam i zębatem i, i p rzekładniam i, służącem i do przenoszenia ru chu, z regulatoram i i pasam i bez końca.
Anglicy wogóle lu b ią pom ysły konkretne, naw et p o zornie tylko k onkretne, ja k ten; Maxwell jed n ak pierw szy porzucił tę teoryę zaw iłą a śmieszną; niem a jej n a w et w ogólnym zbiorze jego dzieł. Niema co je d n a k żało
wać, że m yśl jego kroczyła tą drogą okólną, w ten bo
wiem sposób doszedł 011 do najw iększych odkryć.
Nie w ydaje się rzeczą praw dopodobną, by drogą tą m ożna było dojść do znacznie lepszych w yników . Jeżeli jed n a k próżną jest rzeczą dążyć do przedstaw ienia wszyst
kich szczegółów m echanizm u zjaw isk elektrycznych, to przeciw nie, jest rzeczą pierw szorzędnej wagi w ykazać, że zjaw iska elektryczne podlegają ogólnym praw om m ech a
niki.
Istotnie, p raw a te nie zależą od poszczególnego m e
chanizm u, do którego m ają być zastosowane. Muszą one pozostać niezm ienne w całej pozornej różnorodności zja
wisk. Gdyby zjaw iska elektryczne w yłam yw ały się z pod
tych praw , należałoby się w yrzec wszelkiej nadziei m ech a
nicznego ich objaśnienia. Jeżeli n ato m iast im podlegają, jest zu p ełn a pew ność co do możliwości takiego w y tłu m a czenia i tru d n o ść może polegać tylko n a w yborze jednego rozw iązania z pom iędzy w szystkich, dla danego zagadnie
n ia m ożliw ych.
Jakżeż jed n ak , nie rozw ijając całego a p a ra tu a n a li
zy m atem atycznej, przekonam y się o h a rm o n ii m iędzy p raw am i elektrostatyki i elek tro d y n am ik i z jednej strony a zasadam i d ynam iki z drugiej?
Za pom ocą porów nań: gdy będziem y chcieli z a n a li
zować jakieś zjaw isko elektryczne, zw rócim y się do je d nego lub dw óch dobrze zn an y ch zjaw isk m echanicznych a p ostaram y się w ykazać ścisłe podobieństw o w ich prze
biegu. Paralelizm len będzie dostateczną gw arancyą m oż
liwości m echanistycznego tłum aczenia zjaw isk elektrycz
nych. V
Za pom ocą analizy m atem atycznej m ożnaby do
wieść, że porów nania te nie są tylko przybliżone, że p rze ciwnie, m ożnaby je posunąć aż do n ajdrobniejszych szcze
gółów. Zakres pracy niniejszej nie pozwoli m i ta k daleko się posunąć, i będę zm uszony ograniczyć się do porów n ań , że ta k powiem, jakościow ych.
2. Z jaw iska elek tro sta ty czn e. By n aład o w ać k o n densator, zawsze trzeba użyć pewnej ilości pracy: pracy m echanicznej przy o b rac a n iu m aszyny statycznej lub przy posługiw aniu się dynam o; energii chem icznej przy ła d o w an iu za pomocij ogniwa.
E nergia jed n a k w ten sposób zużyta, nie jest straco
na; jest ona zaw arta w kondensatorze i może być uw ol
4
niona przy w yładow aniu. Możemy ją otrzym ać z pow ro
tem pod postacią ciepła, jeżeli obie zbroje kondensatora połączym y poprostu drutem , który w tedy ogrzeje się przy przechodzeniu p rąd u w yładow ania; m ożna ją otrzym ać w postaci pracy m echanicznej, jeżeli p rąd w praw i w ruch m ały m olorek elektryczny.
Podobnież potrzeba zużyć pew ną ilość pracy, by pod
nieść wodę do zbiornika; pracę tę olrzym am y z pow ro
tem, gdy w oda ze zbiornika obraca, nap rzy k ład , koło m o
toru hydraulicznego.
Jeżeli dw a przew odniki są n aładow ane do lego sa
mego potencyału, lo po połączeniu ich drutem , rów now a
ga nie będzie naruszona; jeżeli je d n a k potencyaly ła d u n ków początkow ych są rozm aite, lo przez d ru t dopóty prze
chodzić będzie prąd, dopóki różnica polencyału nie będzie w yrów naną.
Podobnież, jeżeli w oda w dw óch zbiornikach z n aj
duje się na rozm aitych poziom ach, lo w razie połączenia ich ru rą, w oda przepływ a z jednego zbiornika do d rugie
go, dopóki poziom w obu nie będzie jednakow y.
Analogia zupełna: potencyał kondensatora odpow ia
da poziomowi wody, ła d u n e k kondensatora— m asie wody w zbiorniku.
Jeżeli przecięcie poziome zbiornika wynosi np. 100 m etrów kw adratow ych, trzeba będzie 1 m etra sześciennego wody, aby poziom jej podnieść o jeden centym etr. T rzeba jej będzie dw a razy więcej, jeżeli przecięcie jest dw a razy większe. To przecięcie poziome odpow iada więc tem u, co się nazyw a pojem nością.
ciąganie i odpychanie ciał naelektryzow anych?
Tego rodzaju zjaw iska m echaniczne zm niejszają róż
nice potencyałów .
Jeżeli będziemy przeciw działali tym sitom , naprzykład oddalali dwa przyciągające się ciała, to w ykonam y pewną pracę, zwiększymy ilość energii elektrycznej, różnica po- ten c y a łu wzrośnie. Jeżeli, przeciw nie, przew odniki zbliżają się pod wpływem ich wzajem nego przyciągania, nagro
m adzona w nich energia elektryczna częściowo się u w a l
nia w postaci energii m echanicznej, i potencyaly się wy- rów nyw ują.
To działanie m echaniczne odpow iadałoby więc ci
śnieniu, jakie woda zaw arta w zb iorniku w yw iera na jego ściany. Przypuśćm y n aprzykład, że nasze dw a zbior
niki są połączone cylindryczną ru rk ą poziom ą o sze
rokim przekroju i że w tej ru rc e może poruszać się tłok.
Jeżeli tło k popchniem y w stronę zbiornika, w którym po
ziom wody jest wyższy, w ykonam y pew ną pracę; jeżeli przeciw nie, puścim y tło k sw obodnie tak , aby poruszał się sam pod w pływ em ciśnień, w yw ieranych na obie jego p o w ierzchnie, to przesunie się on tak , że zmniejszy się róż
nica między obu poziom am i, i energia nagrom adzona w zbiornikach częściowo będzie uw olniona.
To porów nanie ze zjaw iskam i hydraulicznem i jest najdogodniejsze i najbardziej blizkie rzeczywistości, cho
ciaż nie jest jedynem m ożliwem; m oglibyśm y, n ap rzykład pracę zużytą na ładow anie kondensatorów 7 porów nać z p ra cą w ydatkow aną na podniesienie ciężaru lub zgięcie sprę
żyny. E nergia tu i tam zużyta może być napow rót otrzy
m an a przy opuszczaniu podniesionego ciężaru lub rozkrę
can iu się sprężyny; podobnież otrzym ujem y ją z p o w ro
tem , gdy w yładow ujem y obie zbroje kondensatora.
W przyszłości będziem y się posługiw ali tem i trzem a porów naniam i.
3. Opór p rzew o d n ik ó w . P ołączm y nasze dw a zbior
niki ru rk ą poziom ą długą, o przecięciu wązkiem . W oda powoli pły n ąć będzie przez tę ru rkę; ilość wody, któ ra przepłynie, będzie tem większa, im różnica poziom ów będzie większa, im ru rk a będzie krótsza, a jej przecięcie— w ięk
sze. Innem i słowy, opór ru rk i, którego przyczyną są t a r cia, w ew nątrz niej zachodzące, w zrasta z przedłużeniem ru rk i i zm niejsza się, gdy jej przecięcie się zwiększa.
Rzecz się m a podobnie, jeżeli dw a przew odniki p o łą czymy długim i cienkim drutem m etalow ym . Natężenie prąd u , t. j. ilość elektryczności, przez dane przecięcie prze
pływ ającej, będzie w zrastała wrraz ze zwiększeniem się róż
nicy obu potencyałów , z pow ierzchnią przecięcia d ru tu , i naodw rót, będzie w stosunku odw rotnym do jego d łu gości.
O pór więc elektryczny d ru tu m ożna porów nać z opo
rem naszej ru rk i staw ianym przepływ ow i wody; jest to praw dziw e tarcie. Podobieństw a jest tem pełniejsze, że ten opór ogrzewa d ru t i w ytw arza ciepło zupełnie ja k tarcie.
To podobieństw o jest szczególniej uderzającym w do
brze znanem dośw iadczeniu F o u c a u lfa : przy obracan iu krążka m iedzianego w polu m agnetycznem pokonyw am y bardzo duży opór i krążek ogrzewa sie: zjaw isko zachodzi tak , ja k gdyby krążek się ocierał o jakiś niew idzialny h a m ulec.
wnej odległości jeden od drugiego i jeżeli przez pierwszy z nich przechodzi p rąd o natężeniu zm iennem , to w d r u gim pow stają p rąd y znane pod nazw ą indukcyjnych. J e żeli wr pierwszym przew odniku natężenie p rą d u w zrasta, to kierunek p rą d u wdórnego jest odw rotny do kieru n k u p rąd u pierw otnego; i odw rotnie: posiada on ten sam kie
runek, jeżeli pierw otny p rąd słabnie. Na tem polega zja
wisko, zw ane indukcyą w zajem ną.
Ale to jeszcze nie wszystko: p rąd zm ienny w skutek indukcyi w ytw arza siły elektrobodźcze w ty m sam ym d r u cie, przez który przepływ a. Siła ta przeciw staw ia się p r ą dowi pierw otnem u, jeżeli ten się wzm aga i naodw rót, zwiększa jego natężenie, jeżeli len słabnie; jest to zjaw i
sko zw ane sam oindukcyą.
U żyw ając poprzednich p orów nań łatw o objaśnić sa- m oindukcyę. W ydaje się, że trzeba przezwyciężyć opór (elektryczny) przeciw -elektrobodźczy, aby w praw ić w ruch elektryczność; ale skoro ru c h się rozpoczął, sam przez się dąży do u trzy m an ia się. Sam oindukcya jest więc pewnego rodzaju bezw ładnością.
T ak sam o trzeba pokonać pewien opór, aby p o ru szyć wóz; wóz jed n a k raz pchnięty trw a sam przez się w swym ruchu.
O statecznie więc p rąd m a do pokonania następujące przeszkody:
1. O pór elektryczny d ru tu (którego nie m ożna u n i
k nąć i który zawsze przeciw staw ia się prądow i).
2. Sam oindukcyę, jeżeli p rą d jest zm ienny.
3. Siły przeciwelektrobodźcze, pochodzenia elektro
8
statycznego, jeżeli w pobliżu d ru tu lub na nim sam ym zn ajd u ją się ła d u n k i elektryczne.
Te dw a ostatnie opory m ogą zresztą stać się taje
m nym i i zwiększać natężenie prądu.
Porów najm y je z oporam i, jakie m a do pokonania wóz toczący się po szosie:
1. O pór elektryczny, jakeśm y widzieli, podobny jest do tarcia.
2. S am oindukcya odpow iada bezw ładności wozu.
3. W końcu siły pochodzenia elektrostatycznego odpow iadałyby sile ciążenia, k tó rą należałoby pokonyw ać przy w znoszeniu się, a k tó ra staje się pom ocną przy spadkach.
Przy indukcyi w zajem nej zjaw iska nieco się ko m p li
kują. W yobraźm y sobie kulę S o bardzo dużej masie; na dw óch przeciw ległych k ońcach dow olnie w'ziętej średnicy tej kuli zn ajd u ją się dw a ram io n a zakończone dw iem a m ałem i kulam i Sj i s2.
Kula S przedstaw iać nam będzie eter, st— p rąd p ie r
w otny, .s-2—p rą d w tórny. Przy w praw ieniu w ru ch kuli s 1 nie nap o tk am y większych trudności. Ale kula S nie m o
że być poruszona tak łatw o: w pierwszej chw ili pozosta
nie nieruchom ą. Cały u k ła d obróci się naokoło S, a kie
ru n ek ru c h u kuli s2 będzie przeciw ny kierunkow i ruchu kuli sŁ.
Jest to obraz indukcyi w zajem nej. Kule s 1 i s2 odpo
w iadają dwóm przew odnikom . Należy przyjąć, że k ula S jest niew idzialną; ona w yobraża nam eter, otaczający tam te dwie m ałe kulki. Gdy szybkość ru ch u kuli .st się zw ięk
sza, k ula s2 porusza się w k ieru n k u odw rotnym ; tak
w staje p rąd w tórny o k ieru n k u odw rotnym .
Idźm y dalej w naszem porów naniu. Przypuszczam , że st i s2 m ają w swym ru ch u do pokonania pewno tarcie (jest to opór elektryczny przew odników ), S, przeciw nie m a do pokonania tylko swą w łasną bezw ładność. P rzy puśćm y, że jakabądź siła poruszająca działa na S j; ru ch u k ład u w końcu się ustali: k ula Sj poruszać się będzie r u chem jednostajnym , pociągając za sobą S, k tó ra raz w p ra
w iona w ru ch , więcej już oporu nie staw ia, s2 przeciw nie, będzie w strzym ana w skutek oporu, tak że cały u k ład obróci się naokoło .s2. P rą d pierw otny u sta lił się, w tó rn y zaś z n ik n ą ł zupełnie.
W końcu siła przestaje działać na s( ; w skutek tarcia ru c h jej staje się opóźniony. Kula S w skutek swej dużej bezw ładności porusza się w dalszym ciągu pociągając za sobą s2, które n a b ie ra szybkości zgodnej co do k ierunku z poprzednią prędkością s1. Gdy pierw otny p rąd sła b n ie p rąd w tórny (indukcyjny) posiada ten sam kierunek co i pierw otny.
W tym obrazie S w yobraża eter, który otacza oba przew odniki; zjaw iska indukcyi w zajem nej pow stają w sku
te k bezw ładności tego eteru. Rzecz się m a podobnież w przy
pad k u sam oindukcyi. O pór bezw ładności, k tóry trzeb a po
konać przy w zbudzaniu p rąd u w przew odniku, staw ia nie ten eter, którym w ypełniony jest d ru t, lecz ten, który go otacza.
5. P rzy cią g a n ie elek trodynam iczne. S tarałem się wyżej za pom ocą pewnego p o rów nania w ytłum aczyć przy
10
ciąganie -wzajemne elektrostatyczne i zjaw iska indukcyi;
zobaczm y teraz w jak i sposób przyciągają się prądy.
Podczas gdy przyciągania elektrostatyczne pow stają ja k gdyby na skutek d ziałania m nóstw a m ały ch sprężynek napiętych, lub inaczej powiedziawszy, w skutek sprężystości eteru, zjaw iska indukcyi i przyciągania elektrodynam icz
nego są skutkiem siły żywej i bezw ładności tego płynu.
R achunek całkow ity zanadto by łb y długi, by m ożna było go tu podać; poprzestanę więc i tym razem n a p o rów naniu. Użyję w tym celu dobrze znanego przyrządu j a kim jest reg u lato r siły odśrodkow ej.
Siła żywa tego przyrządu jest pro p o rcy o n aln a do k w ad ratu jego szybkości kątow ej i do k w a d ra tu oddale
nia się kulek od osi.
W edług hypotezy M axwell’a, eter w praw iany jest w ru ch z chw ilą pow staw ania prądów Volty, a jego siła żywa jest propo rcy o n aln a do k w ad ratu natężenia p rąd u , które w naszem porów naniu odpow iada szybkości kąto wej obrotu regulatora.
Jeżeli m am y dw a p rąd y o jednakow ym k ieru n k u , to siła żywa, przy stałem natężeniu obu prądów , bę
dzie tym wdększa, im przew odniki będą bardziej do siebie zbliżone; jeżeli kierunek prądów jest rozbieżny, siła żywa będzie tym większa, im p rąd y będą bardziej od siebie oddalone.
Idźm y dalej w naszym porów naniu.
Dla zwiększenia szybkości kątow ej regulatora a więc i jego siły żywej, trzeba zużyć pew ną pracę, a więc i pokonać pewien opór, który nazyw am y bezwładnością.
T a k sam o, aby zwiększyć natężenie p rą d u — to zna-
czy zwiększyć silę żywą eteru, należałoby w ykonać odpo
w iednią pracę i pokonać pewien opór, k tóry jest w łaśnie niczem innem , ja k bezw ładnością eteru, zw aną indukcyą.
Siła żywa będzie większa, jeżeli p rąd y m ają w spólny kierunek i bliżej siebie są położone; p rac a zużyw ana i siła przeciw elektrobodźcza p rą d u indukcyjnego będą więc większe. W języku zw ykłym w yraża się to w ten sposób, że ind u k cy ą w zajem na dw óch prądów zwiększa ich sa- m oindukcyę. Rzecz się m a odw rotnie, jeżeli dw a p rąd y m ają k ieru n k i sobie przeciw ne.
Chcąc rozchylić kulki regulatora, ciągle zachow ując tę sam ą szybkość kątow ą, trzeba w ykonać pew ną pracę, gdyż przy stałej szybkości kątow ej siła żywa jest tem większa, im kulki są bardziej rozchylone.
Podobnież, jeżeli zbliżać będziem y dw a p rąd y o wpól- nym k ieru n k u , m usim y w ykonać pew ną pracę w celu utrzym ania ich poprzedniego natężenia, gdyż siła żywa w tenczas się zwiększa. T rzeba tu pokonać siłę elektro- bodźczą indukcyi, w pływ ającą n a zm niejszenie natężenia prądów . Przeciw nie, natężenie ich będzie się zm niejszało, jeżeli oddalim y p rąd y jednokierunkow e lub zbliżym y róż- nokierunkow e.
M echaniczne działanie p rąd u na p rąd m ożna w ten sam sposób w yjaśnić.
Siła odśrodkow a rozchyla kulki reg ulatora i gdybyś
m y utrzym ali jego poprzednią szybkość kątow ą, to w zro
słaby jego siła żywa.
T ak sam o p rąd y jednokierunkow e przyciągają się, to . jest dążą do zbliżenia się; gdyby natężenie ich pozostało bez zm iany, siła żywa zw iększyłaby się. P rąd y różnokie-
12
runkow e odpychają i oddalają się, co przy stałem ich n a tężeniu zwiększa siłę żywą.
T ak więc sprężystość eteru jest źródłem zjaw'isk ele
ktrostatycznych, a jego siła żywa — zjaw isk e le k tro d y n a
m icznych. Czy jed n a k sprężystość eteru m a być u w a ru n kow ana, ja k tego chce lord Kelvin, ruchem m aleńkich cząsteczek tego płynu? Dla różnych powodów liypoteza tak a m ogłaby być pociągająca, żadnej jed n a k pow ażniej
szej roli nie gra ona w teoryi M axwell’a, k tó ra jest od niej niezależna.
Powyżej robiłem porów nanie z rozm aitym i m echani
zm am i. Należy pam iętać, że są to jed n a k tylko porów na
nia, i to niezbyt ścisłe. I rzeczywiście, w książce Ma- xw ell’a należy szukać nie zupełnego w yjaśnienia zjaw isk elektrycznych z m echanistycznego p u n k tu w idzenia, lecz tylko ujęcie w jed n ą całość ty ch w szystkich w arunków , którym m usi uczynić zadość wszelkie w yjaśnienie. I jeżeli dzieło M axwell’a rzeczywiście będzie trw ałem , to w łaśnie dlatego, że jest wolne od wszelkich bardziej szczegółowych w yjaśnień.
TEORYA M AXW ELL’A.
1. Z w iązek m ięd zy zjaw iskam i św ietln em i i elektry- cznem i. W chw ili, gdy dośw iadczenia F re sn e l’a n asuw ały uczonym myśl, że św iatło jesl w ynikiem d rg ań pewnego pły n u bardzo subtelnego, w ypełniającego przestrzenie m ię
dzyplanetarne, w tym sam ym czasie prace A m pére’a w y
k ryły praw a w zajem nego d ziałania prądów na prądy i za
łożyły w ten sposób fu n d am en ty elektrodynam iki.
Jeden już tylko krok oddziela od założenia, że eter, który jest przyczyną zjaw isk św ietlnych, jest rów nież pod
łożem zjaw isk elektrycznych. Poglądy A m pére’a lego k ro ku dokonały; znakom ity fizyk, w ygłaszając tę hypotezę tak ponętną, z pew nością nie przypuszczał, że m a ona przyoblec się w krótce w form ę bardziej skończoną, a n o wo odkryte fakty m ają ją potwierdzić.
Stosunek pom iędzy jednostką ab solutną elektrosta
tyczną i jednostką ab solutną elektrodynam iczną m a w y
m ia r pewnej szybkości. Maxwell po d ał wiele m elod otrzym ania liczebnej w artości tej szybkości. Rezultaty
14
przez niego otrzym ane, w ahają się około 300000 kim. na sekundę, są wrięc blizkie szybkości św iatła.
Pom iary stały się w krótce tak ścisłe, że nie m ożna było przypuszczać, aby zgodność ta była dziełem przy
p ad k u . Nie było wrięc w ątpliwości, że jest jakiś ścisły zw ią
zek m iędzy zjaw iskam i optycznem i i elektrycznem i. Je d n ak głębsze znaczenie tego związku dotychczas praw dopodobnie uchodziłoby naszej uwagi, gdyby go nie odsłonił geniusz Maxwella.
Tę nieoczekiw aną zgodność rac h u n k ó w m ożna sobie przedstaw ić wr ten sposób, że wzdłuż doskonałego prze
w odnika w kształcie d ru tu rozchodzi się zaburzenie ele
k tryczne z szybkością św iatła.
Do takiego rezultatu doprow adziły ra c h u n k i K irch- hoffa, oparte na starej elektrodynam ice.
Św iatło je d n a k rozchodzi się nie w zdłuż d ru tu m e
talowego, lecz w środow iskach przezroczystych: przez p o w ietrze, przez próżnię. S tara elektrodynam ika nic przew i
dy w ała podobnego rodzaju rozchodzenia się energii.
Aby módz optykę w yprow adzić dedukcyjnie z teoryi elektrodynam icznych, należało je przedtem głęboko zmie
nić, ta k jednak, by one nie przestały tłu m aczy ć wszystkich z n a n y ch faktów. Tej w łaśnie zm iany d o konał Maxwell.
2. P rą d y d ielek try czn e. Pow szechnie w iadom o, że pod względem przew odnictw a elektrycznego wszystkie cia
ł a m ożna podzielić na dwie kategorye: na przew odniki, w których mogą się przesuw ać ła d u n k i elektryczne, gdzie, inaczej powiedziawszy, mogą zachodzić p rąd y Volty, i na izolatory czyli dielektryki. W edług daw nych badaczów zja
w isk elektrycznych, ciała dielektryczne były ciałam i bier-
prądow i, m ającem u przez nie przechodzić. Gdyby ta k było rzeczywiście, m ożna byłoby zastąpić każdy izolator dow ol
nym innym izolatorem , nic przytem nie zm ieniając w prze
biegu zjaw iska. Dośw iadczenia F a ra d a y ’a jed n a k dowiodły, że ta k nie jest: dw a kondensatory ty ch sam ych kształtów i naw et tak ich sam ych w ym iarów , połączone z tem i sa- m em i źródłam i elektryczności, otrzym ują ła d u n k i różne, naw et wtenczas, gdy grubość w arstw y izolatora jest ta sa m a, jeżeli tylko zm ienim y rodzaj m atery ału izolującego.
Maxwell zanadto dobrze poznał p rac e F a ra d a y ’a, aby zba
gatelizow ać doniosłość w pływ u dielektryków i konieczność przypisania im roli czynnej.
Zresztą jeżeli św iatło rzeczywiście m a być niczem in- nem , ja k tylko zjaw iskiem elektrycznem , to jest rzeczą konieczną, aby naw et izolatory, w chw ili, gdy św iatło przez nie przechodzi, były siedliskiem tego zjaw iska elek
trycznego: tak więc zjaw iska elektryczne m uszą również zachodzić w dielektrykach. Na czemże jed n a k one polegają?
Maxwell odpow iada śm iało: są to prądy.
W szystkie dośw iadczenia jego czasu zdaw ały się te m u przeczyć; p rą d mógł pły n ąć tylko przez przew odnik.
Jakże Maxwell m ógł pogodzić swoje śm iałe przypuszcze
nie z tak dobrze znanym faktem ? Dlaczego w pew nych określonych w a ru n k a c h p rąd y te w yw ołują dające się z a u w ażyć objaw y, a w przypadkach zw ykłych nie m ogą być obserw ow ane.
Przyczyną jest ta okoliczność, że dielektryki sprzeci
w iają się przechodzeniu p rąd u elektrycznego nie d la te go, żeby dielektryki staw iały większy opór, niż prze
16
w odniki, lecz dlatego, że opór dielektryków jest zupełnie innego rodzaju. Myśl Maxwella zilustruje n am następ u ją
ce porów nanie.
Przy naciąg an iu sprężyny napotykam y opór w zra
stający wr m iarę jej naciągania. Gdy siła odkształcająca jest ograniczona, nadchodzi taki stan, że opór staw iany przez sprężynę nie może już być dalej pokonyw any, ruch ustaje i następuje stan rów now agi. A gdy siła działać przestanie, to podczas kurczenia się sprężyny otrzym am y tę sam ą ilość pracy, ja k ą w ykonaliśm y przy rozciągnięciu.
P rzypuśćm y teraz, że m am y zam iar w praw ić w ru c h jakieś ciało zanurzone w wodzie: tu taj też m am y do czy
nienia z oporem zależnym od szybkości, z jak ą ciało się porusza; przy stałej jed n a k szybkości nie będzie się on zw iększał w m iarę zw iększania się drogi, przebyw anej przez poruszające się ciało. Ruch trw a ć będzie dopóty, dopóki działa siła; rów now aga nie nastąpi nigdy; a gdy w końcu siła działać przestanie, ciało nic będzie się po
ruszało wstecz i praca w ykonana podczas poruszania go naprzód, z powroLem otrzym ana być nie może; na skutek tarcia w ew nętrznego cała p rac a została zam ieniona na ciepło.
Różnica jest jasna: należy’ odróżniać opór sprężysty od oporu lepkiego. Z tego więc w ynikałoby, że d iele k try ki zachow ują się względem ru ch u ład u n k ó w elektrycznych jak ciała sprężyste wobec ruchów m echanicznych; prze
w odniki natom iast zachow yw ały się, jak ciecze lepkie.
Stąd dw a rodzaje prądów : p rąd y dielektryczne, czyli prądy Maxwell’a, które zachodzą w dielektrykach, i zw ykłe prądy p r z e w o d z o n e , które pły n ą w przew odnikach.
Poniew aż pierwsze m ają do przezw yciężenia pewnego rodzaju opór sprężysty, przeto mogą być tylko k ró tk o trw ałe: z pow odu ciągłego w zrastan ia oporu, rów now aga bardzo szybko się ustala.
P rąd y przewodzone, naodw rót, m ają do poko n an ia pewnego rodzaju opór lepki i wobec tego m ogą trw ać tak długo, ja k długo trw a siła elektrobodźcza, w k tórej biorą początek.
Pow róćm y do naszego p o ró w n an ia zapożyczonego z h y d rau lik i. Przypuśćm y, że m am y zbiornik z wodą pod ciśnieniem ; połączm y go z ru rą pionow ą. W oda zacznie się do niej przelew ać, ru c h jej jed n a k ustanie n aty ch m iast po osiągnięciu rów now agi hydrostatycznej. Jeżeli ru ra jest dość szeroka, nie będzie znacznego ta rc ia ani stra ty energji, i wroda, w ten sposób podniesiona, będzie m ogła w ykonać pew ną pracę. Mamy tu obraz p rą d u d ielek try cznego.
Jeżeli natom iast woda ze zbiornika w ypływ a przez r u rę poziom ą, ru ch będzie trw a ł dopóty, dopóki zbiornik się nie opróżni; jeżeli ru ra jest w ązka, s tra ta pracy i wy
tw arzanie się ciepła w skutek ta rc ia będą znaczne. Jest to obraz p rą d u przewodzonego.
Chociaż byłoby rzeczą niemożliwrą, a poniekąd i zby
teczną chcieć w yobrazić sobie wszystkie szczegóły takiego m echanizm u, to m ożna jed n a k powiedzieć, że całe zja
wisko ta k się odbyw a, jak gdyby w ynikiem prąd ó w p rze
mieszczenia było napięcie wielkiej liczby m aleń k ich sprężynek. Gdy p rą d ustaje, w ytw arza się rów now aga elektrostatyczna, a sprężynki tem m ocniej są napięte, im silniejsze jest pole elektryczne. P ra c a nagrom adzona
P o in care. T e o ry a M axw ell’a. 2
18
w sprężynkach, czyli energia elektryczna, może być c a ł
kowicie otrzym ana z pow rotem , gdy tylko sprężynki będą m ogły się rozprężyć. W ten sposób otrzym ujem y pracę m echaniczną, pozw alając przew odnikom zbliżać się do siebie pod w pływ em przyciągania elektrostatycznego. Przy
ciągania te są w naszem p o ró w n an iu w ynikiem sił, jakie n a przew odniki w yw ierają napięte sprężynki. W reszcie, chcąc porów nanie nasze doprow adzić do końca, należa
łoby przeprow adzić analogię pom iędzy w yładow aniem przez iskrę, a pęknięciem pew nej liczby zbyt m ocno n a ciągniętych sprężynek.
Przeciw nie, p raca, w ydatkow ana na wzniecenie p rą dów przew odzonych, jest straco n a i cała zam ienia się na ciepło, podobnie ja k p rac a zużyta n a p o k o n an ie tarcia, czy lepkości cieczy. T o w ł a ś n i e j e s t p r z y c z y n ą r o z g r z e w a n i a s i ę p r z e w o d n i k ó w , p o k t ó r y c h p r z e p ł y w a p r ą d .
W edług poglądów M axwell’a, m ogą istnieć tylko p rądy zam knięte. D aw niejsi badacze zjaw isk elektrycznych sądzili inaczej. Uważali oni za zam knięty tylko tak i p rąd , który płynie w przew odniku, łączącym oba bieguny ogniwa. Jeżeli jed n a k oba bieguny, zam iast bezpośrednio ze sobą, są połączone odpow iednio ze zbrojam i ko n d en satora, to p rą d chw ilow y, tw ający tylko do m om entu n a ład o w a n ia kondensatora, uw ażany b y ł za otw arty; p rąd taki, ja k sądzono, płynie od jednej okładki do drugiej przez d ru t i ogniwo i zatrzym uje się n a pow ierzchni o k ła dek. Przeciw nie, Maxwe.ll przypuszcza, że p rąd , pod po
stacią p rą d u przem ieszczenia, przenika przez w arstw ę, izo
lato ra, rozdzielającą obie zbroje, i że w ten sposób p rąd jest całkow icie zam knięty. O pór sprężysty, jak i n ap o ty k a w swym biegu, tłum aczy jego krótkotrw ałość.
P rą d y elektryczne m ogą się ujaw n iać w trzech ka- tegoryach zjaw isk: w d z ia łan iu cieplnem , w d ziałaniu na m agnesy i p rąd y oraz w p rąd a c h in d u k cy jn y ch , które w zbudzają. W yżej widzieliśm y, dlaczego p rąd y przew o
dzone w yw iązują ciepło i dlaczego nie w idzim y tego wcale przy p rą d a c h przem ieszczenia. N atom iast, w edług hypo- tezy M axwell’a, prądy, k tó ry c h istnienie przypuszcza, po
w inny, podobnie do prądów zw ykłych, wrywoływ'ać zja
w iska elektrom agnetyczne, elektrodynam iczne i indukcyjne.
Dlaczegóż jed n a k nie m ożna się było przekonać o istnie
niu ty ch zjawisk? Oto dlatego, że p rąd dielektryczny o ja kiem takiem natężeniu nie może trw ać długo w tym sa
m ym kierunku: wciąż w zrastające napięcie sprężynek w krótce go zatrzym a. T ak więc w dzielektrykach nie m ożna otrzym ać a n i dłużej trw ającego p rą d u stałego, ani dostrzegalnego p rą d u przem iennego o dużym okresie zm ien
ności. Przeciw nie, zaczynam y dostrzegać pewTne zjaw iska tego rodzaju dopiero w tenczas, gdy zm iana p rą d u odbywra się bardzo szybko.
3. Natura św ia tła . Te to zjaw iska, w edług Max- w ell’a, stanow ią istotę św iatła; fala św ietlna jest szeregiem prądów przem iennych, zachodzących w dzielektrykach, a naw et w pow ietrzu i w próżni m iędzynaplanetarnej; ich kieru n ek zm ienia się około k w adryliona razy n a sekundę.
Potężne działanie indukcyjne, w yw ołane przez tak częstą zm ienność kieru n k u p rąd u , w ytw ąrza w sąsiednich czę
20
ściach d ielektryku nowe prądy, i w ten sposób fale św ie
tlne przenoszą się dalej i dalej. R achunek dowodzi, że szybkość ich rozchodzenia się jest ró w n a stosunkow i jed
nostek elektrycznych, t. j. rów na się szybkości św iatła.
Te p rąd y przem ienne stanow ią rodzaj d rg ań elek
trycznych. Zachodzi pytanie, czy są one podłużne, jak drga
nia dźwiękowe, czy może poprzeczne, ja k d rg an ia w ete
rze F re sn e l’a. W p rzypadku dźw ięku pow ietrze kolejno podlega zgęszczeniom i rozrzedzeniom . Przeciw nie, eter F resn el’a zachow uje się podczas d rg ań tak , ja k gdyby się sk ła d a ł z w arstw nieściśliw ych, m ogących się jedynie śliz
gać jed n a po drugiej. Gdyby istniały p rąd y otw arte, elek
tryczność, przenosząc się z jednego końca swej drogi na drugi, grom adziłaby się na nim ; podłegałaby zgęszcze
niom lub rozrzedzeniom , ja k powietrze, jej d rg an ia byłyby podłużne. Maxwell jed n a k przypuszcza istnienie tylko p rą dów zam k niętych: takie nagrom adzenie się ład u n k ó w elektrycznych jest niem ożliwe, i elektryczność zachow uje się, ja k nieściśliw y eter F resnel’a, jej d rg an ia m ają c h a ra k te r poprzeczny.
T ak więc o d najdujem y tu ta j wszystkie cechy c h a rakterystyczne teoryi falowej. Nie w ystarczało to je d n a k by skłonić fizyków do przyjęcia teoryi MaxwelPa, k tó ra w praw iła ich raczej w zachw yt, aniżeli przekonała.
W szystko, co m ożna było powiedzieć n a jej' korzyść, to chyba tylko to, że nie b yła ona w sprzeczności z żadnym z zaobserw ow anych faktów ; i w ielką byłoby szkodą, gdyby się okazała błędną. B rakło jej je d n a k potw ierdzenia eksperym entalnego: m usiano na nie czekać dw adzieścia pięć lat.
T rzeba było szukać rozbieżności pom iędzy teoryą sta rą a Maxwellowską, rozbieżności, któ rab y nie b y ła zbyt su b leln ą dla naszych grubych środków spostrzegaw czych.
Znaleziono jed n ą tylko, a ta d a ła pole do w ykonania e x p e r i m e n t u m c r u c i s .
Było to dziełem H ertza, o którem teraz pom ówimy.
ROZDZIAŁ III.
FALE ELEKTRYCZNE PRZED HERTZEM.
1. D ośw iad czen ia Feddersena. P rą d y przem ienne otrzym yw ano już bardzo wcześnie zapom ocą środków m e
chanicznych, używ ając n ap rzykład k o m u tato ró w obroto
w ych, przeryw aczy m łoteczkow ych i t. p. Pod pew nym względem były to już d rg an ia elektryczne, których okres b y ł jed n a k bardzo duży.
Rozbrojenie kondensatora pozw alało otrzym yw ać oscylacye znacznie szybsze. Feddersen pierw szy okazał do
św iadczalnie, że w yładow anie butelki lejdejskiej w pewr- nych w a ru n k a c h może być oscylujące. Iskrę, otrzym yw aną przy rozbrajaniu butelki lejdejskiej, obserw ow ał on zapo
m ocą lusterka wklęsłego, obracającego się naokoło osi; za pom ocą tego lustra rzucał obraz iskry n a płytkę fotogra
ficzną i w ten sposób otrzym yw ał obrazy rozm aitych postaci iskry.
Zm ieniał opór obwodu: przy oporze słabym otrzy
m yw ał w yładow yw ania oscylujące, a przyjęła m etoda b ad an ia pozw alała m u obserw ować, w jak i sposób zm ie
n ia się okres oscylatyi w zależności od zm iany pojem no
ści kondensatora lub sam oindukcyi obwodu.
Dla zm iany pojem ności, w ystarczało zm ienić liczbę b utelek lejdejskich. F eddersen spraw d ził z pewnem przy
bliżeniem proporcyonalność okresu do pierw iastku kw a
dratow ego z pojem ności.
Aby zm ienić sam oindukcyę, Feddersen zm ieniał d łu gość d ru tu przewodzącego. O kazało się, że okres jest m niej więcej p ro p orcyonalny do pierw iastka kw adratow ego z sa- m oindukcyi, ale tylko m niej więcej, gdyż długość d ru tu w dośw iadczeniach F eddersena dochodziła nieraz do wielu set m etrów , d ru t zawieszony był na m urze i sta n o w ił .razem z nim praw dziw y kondensator, którego pojem ności nie m ożna było zaniedbać wobec pojem ności k o n d en sa
to ra głównego.
Spółczynnika liczbowego Feddersen nie m ógł o b li
czyć, gdyż nie zn ał do k ład n ie pojem ności użytych k o n densatorów ; m ógł spraw dzić jedynie praw o proporcyonal- ności.
Feddersen o trzym ał wielkość okresów porządku KT4 sekundy.
Zwiększając stopniow o opór przez w łączanie w o b wód m ałych ru re k z kw asem siarkow ym , Feddersen otrzy
m a ł w yładow ania ciągłe, następnie, przy bardzo dużym oporze, jaki dają, n aprzykład, zw ilżone n itk i, w yładow a
nia staw ały się przeryw ane.
Rzecz jasn a, ¿e w yładow anie ciągłe pow inno dać w w irującym lu sterk u ciągłą sm ugę św iatła; w yładow anie przem ienne lub przeryw ane pow inno dać szereg plam św ietlnych, oddzielonych jed n a od drugiej.
Fotografie w yładow ań oscylujących, otrzym ane przez Feddersena, m ają w ygląd szczególny. W idać n a n ich sze
24
reg pun k tó w św ietlnych i ciem nych, odpow iadających dw óm końcom iskry; p u n k ty św ietlne jed n ak , należące do jednego z końców iskry, odpow iadają pu n k to m ciem nym drugiego końca i odw rotnie.
F a k t ten łatw o wytłóm aczyć: gdy iskra przebija po
wietrze, świecą cząsteczki, oderw ane z elektrody dodatniej;
n a elektrodzie ujem nej nato m iast podobne zjaw isko nie zachodzi; koniec d o datni jest więc jaśniejszy od końca ujem nego.
Zdjęcia Feddersena dowodzą więc, że każdy z koń
ców iskry kolejno staje się to d odatnim , to ujem nym . W yładow anie nie odbyw a się więc w^ciąż w jednym kie- kunku: nie jest ono przeryw anem ; m am y tu do czynienia z w yładow aniem w a h a d ł o w em .
2. T e o ry a lorda Kelvina. Dośw iadczenia F ed d er
sena m ogą bj'ć w ytłóm aczone w sposób bardzo prosty.
W yobraźm y sobie dw a przew odniki (w dośw iadczeniu Feddersena będą niem i zbroje kondensatora), połączone drutem : jeżeli tylko ich potencyały są różne, to ró w no
w aga elektryczna jest wr n ich naruszona; podobnież n a ru szona jest rów now aga m echanicznego w a h a d ła, odchylo
nego od pionu. W obu ty ch przypadkach w idzim y dąż
ność do przyw rócenia rów now agi.
P rą d płynie po d ru cie i dąży do w yrów nania po- ten c y a łu obu przew odników ; ta k sam o w ahadło p o w raca do położenia pionowego. W a h ad ło jed n a k nie za
trzy m a się wr swem położeniu rów now agi; nabyw szy pew ną szybkość, m ija je w skutek swrej bezw ładności. Podobnież, gdy po w yładow aniu naszych przew odników rów now aga na chw ilę pow róci, n aty ch m iast będzie zakłócona; działać
tu będzie pew na przyczyna, analogiczna do bezw ładności:
jest nią s a m o i n d u k c y a . W iadom o, ż e g d y p rą d ustaje, w d ru ta c h sąsiednich pow staje p rą d o tym sam ym kie
ru n k u . To sam o zjawisko zachodzi w tym sam ym d r u cie, po którym przechodzi p rą d w zbudzający; ostatni w ten sposób jest podtrzym yw any przez p rą d wzbudzony.
Innem i słowy p rą d trw a jeszcze, gdy przestała dzia
ła ć przyczyna, któ ra go w yw ołała; ta k sam o ja k b ry ła nie zatrzym uje się w sw'ym ru c h u n aty ch m iast po u s ta n iu działan ia siły, któ ra ją w ru ch w praw iła.
Gdy oba potencyały już się w yrów nały, p rą d trw a wciąż jeszcze w tym sam ym k ieru n k u , a w skutek tego oba przew odniki otrzym ają ła d u n k i odw rotne względem posiadanych poprzednio.
J a k w przy p ad k u w a h a d ła tak i tu położenie ró w now agi jest przekroczone: aby je przyw rócić, zjaw isko m usi się odbyć w k ieru n k u odw rotnym .
W chw ili pow tórnie zachodzącej rów now agi, ta sam a prz}rczyna znow u ją narusza; w a h a n ia odbyw ają się więc nieprzerw anie.
R achunek wskazuje, że okres w a h a n ia zależy od po
jem ności przew odników ; odpow iednie więc zm niejszenie tej pojem ności, co zresztą nie jest rzeczą tru d n ą , w y sta r
cza do otrzym ania w a h a d ł a e l e k t r y c z n e g o , dającego p rąd y o bardzo m ałym okresie przem ienności.
3. R óżne porów n ania. W celu w y tłum aczenia teo- ryi lorda K elyina używ ałem po ró w n an ia z w ahadłem ; m ożna byłoby zresztą użyć wiele innych.
Zam iast w a h a d ła użyjem y k ainertonu; w yprow adzony z położenia rów now agi, będzie dążył w skutek swej sprę
26
żystości do pow rócenia do niego, porw any jed n a k przez bezw ładność, m inie je, a siły sprężyste znow u go cofną z pow rotem — i ta k dalej; w ten sposób kam erton w ykona szereg drgań.
T ak więc sprężystość k am erto n u odgryw a ta k ą sam ą rolę, ja k siła ciążenia w teoryi w a h a d ła, lub ja k siła elektryczna w w yładow aniach oscylujących b utelki lej
dejskiej; bezw ładność sprężyny w ystępuje n a m iejsce bez
w ładności w a h a d ła albo sam oindukcyi.
Lepiej jed n a k może pow rócić do po ró w n an ia z h y drauliki. W yobraźm y sobie dw a naczynia połączone po
ziom ą ru rk ą ; aby w oda była w n ich w położeniu rów no
wagi, jej poziom musi być w spólny w obu naczyniach.
Jeżeli w skutek jakiejbądź przyczyny rów ność jej po
ziomów zostanie zakłócona, ujaw ni się ru c h w k ieru n k u przyw rócenia rów now agi; obniży się poziom w naczyniu A, gdzie b y ł poprzednio wyższy, i podniesie się w naczyniu B , gdzie był niższy; w oda w rurze poruszy się w k ieru n k u od naczynia A do naczynia B. W skutek bezw ładności wody, zaw artej w rurce, jej ru ch nie ustanie w chw ili przyw rócenia równości poziomów. Poziom podniesie się wyżej w naczyniu B niż w A. W tedy to sam o zjaw isko pow tórzy się w k ieru n k u odw rotnym — i ta k dalej.
Będziemy więc mieli szereg oscylacyi: jakiż jed n ak będzie ich okres? Będzie on tein większy, im większy jest przekrój naczyń, co do których zakładam y, że m ają kształt walców. I rzeczywiście, jeżeli litr w ody przepływ a z jednego naczynia do drugiego, w yw ołana przez to róż
nica poziomów będzie tem m niejsza, im większy będzie
przekrój naczyń. Siła poruszająca będzie w tenczas m n ie j
sza i oscylacye powolniejsze.
Z drugiej strony okres będzie tern dłuższy, im ru rk a będzie dłuższa: wszystką wodę, zaw artą w rurce, trzeba poruszyć, aby litr w ody z jednego naczynia przelać do drugiego. Bezwładność, k tó rą trzeba tu pokonać, jest tern większa i oscylacye tern powolniejsze, im dłuższa jest ru rk a.
W pierwszym rozdziale widzieliśm y, że przekrój n a czynia odpow iada pojem ności, długość ru rk i— sam oinduk- cyi. Okres oscylacyi elektrycznych będzie więc tem d łu ż szy, im większe będą pojem ność i sam oindukcya.
4. Zanikanie. W iadom o, że oscylacye w a h a d ła nie trw a ją nieskończenie długo; każde w ahnięcie posiada am plitudę m niejszą od poprzedniego i po pew nej ilości co
raz to m alejących w a h n ięć w jednym i drugim k ieru n k u w ahadło zatrzym uje się w końcu.
Jest to w ynikiem tarcia. W idzieliśm y zresztą, że w' zjaw iskach elektrodynam icznych jest pew na przyczyna, d ziałająca podobnie ja k tarcie; jest to opór omowy. O scy
lacye elektryczne m uszą więc zw alniać biegu tak , jak ru ch y w ahadła; zan ik ają, zm niejszają swoją am p litu d ę i w końcu zatrzym ują się zupełnie.
T arcie w p ływ a na okres w a h ad ła w sposób bardzo nieznaczny. Podobnież opór omowy najczęściej nie będzie w sposób znaczny w pływ ał na okres oscylacyi elektrycz
nych; będą się one staw ały coraz to drobniejsze, tem po ich jed n a k nie stanie się w yraźnie pow'olniejszem.
W niektórych dośw iadczeniach jednak F eddersen używ ał bardzo dużych oporów; okres, ja k to zresztą m ożna
28
przewidzieć, staje się w tedy znacznie większym. W przy
p a d k u sk rajn y m w yładow anie przestaje być oscylującern.
W yobraźm y sobie, że w ahadło porusza się w środo
w isku bardzo lepkiem i staw iającem duży opór: będzie się ono opuszczało nie ruchem przyśpieszonym , lecz p o woli, dojdzie do położenia rów now agi z szybkością rów ną zeru, i już go nie m inie. Oscylacyi nie będzie.
W ten to sposób skonstruow ano galw anom etry, zwa
ne aperyodycznym i: igła, um ieszczona w pobliżu k rąż k a i m iedzianego, w którym pow stają p rąd y F o u c a u lfa , m usi przy poruszaniu się pokonać bardzo duży opór; opór ten działa, ja k rzeczywiste tarcie. T ak więc igła, zam iast w a
h a ć się w jed n ą i w dru g ą stronę od położenia ró w no
wagi, co byłoby niedogodnem dla obserw atora, powoli osiąga położenie stałe i w niem się zatrzym uje.
P rzykłady te z dziedziny m echaniki wystarczą, by w ytłóm aczyć, ja k odbywra się w yładow anie butelki lejdej
skiej, gdy opór om owy jest bardzo duży.
B utelka osiąga rówmowagę elektryczną powoli i nie przekracza jej wcale. W yładow anie przestaje być oscylują- cem, staje się ciągiem . Tego w łaśnie dow iodły dośw iad
czenia Feddersena i w ten sposób całkow icie potwierdził}' teoryę lorda Kelvina.
T arcie i inne opory podobne nie są jed y n ą przy
czyną z an ik an ia drgań, nie cała energia ciał oscylujących zam ienia się n a ciepło.
Rozważmy nap rzy k ład widełki strojowre, któ ry ch a m p litu d a d rg ań stopniow o się zm niejsza. N iewątpliwie za
chodzą tu tarcia, które kam erton lekko nagrzew ają; jed n o cześnie jed n a k słyszym y dźwięk: jest tu więc poruszane
pow ietrze, które energii swego ru c h u zapożycza od ka- m ertonu. Część energii k am erto n u rozprasza się drogą swego rodzaju prom ieniow ania nazew nątrz.
Podobnież energia oscylacyi elektrycznych rozprasza się pod dw iem a postaciam i: opór omowy przekształca jej część na ciepło; w krótce je d n a k zobaczym y, że d ru g a jej część prom ieniuje nazew nątrz, zachow ując sw ą n a tu rę elektryczną: jest to fakt, k tóry teorya M axwell’a pozw a
lała przewidzieć, a który pozostaje w sprzeczności ze starą elektrodynam iką.
Oscylacye elektryczne podlegają więc podw ójnem u h am ow aniu; w skutek oporu omowego (analogicznego do tarc ia ) i w skutek prom ieniow ania.
ROZDZIAŁ IV.
WIBRATOR HERTZA.
1. Odkrycie H ertza. P rąd y dielektryczne, p rze
w idziane przez teoryę M axwell’a, nie m ogły być zauw a
żone w n o rm aln y ch w aru n k ach . Powiedzieliśm y, że m uszą one przezwyciężyć opór sprężysty, k tóry wciąż się zwięk
sza w m iarę ich trw an ia ; m uszą więc być one albo b a r
dzo słab e, albo bardzo krótkotrw ałe, jeżeli tylko stale za
chodzą w tym sam ym kierunku. Aby m ożna było zau
w ażyć ich skutki, m uszą one często zm ieniać kierunek, ich przem ienność m usi być bardzo gw ałtow na. P rądy prze
m ienne techniczne, naw et oscylacye Feddersena dla tego celu są niedostateczne.
Z tej to przyczyny m yśli M axwell’a dw adzieścia lat oczekiw ały potw ierdzenia eksperym entalnego. Hertzowi przypadło w udziale dać to potwierdzenie. Uczony ten, którego życie było ta k krótkie, a tak pracow ite, począt
kowo m ia ł się poświęcić zawodowi budowniczego. Pow o
ła n ie nieprzeparte pchało go w k ieru n k u n a u k i czystej.
W yróżniony i zachęcony przez H elm holtz’a, m ianow any b y ł profesorem nadzw yczajnym politechniki w K arlsruhe:
tam w y k o n ał on prace, które u n ieśm ierteln iły jego imię, i z u k ry cia odrazu przeniosły go w k rain ę sław y.
Niedługo jed n a k cieszył się rozgłosem: zaledwo zdo
ła ł założyć sobie nowe lab o ratoryum w Bonn; gdy cho
roba pozbaw iła go m ożności korzystania z niego, a śm ierć go w krótce zab rała. Pozostaw ił nam je d n a k — poza swem genialnem odkryciem —olbrzym iej wagi dośw iadczenia nad prom ieniam i katodow em i i bardzo o ry ginalną i głęboko pom yślaną książkę o iiiozoiii m echaniki.
2. Zasada w ibratora. Chodziło o to, by, ja k to pow iedziałem , otrzym ać w ibracye nadzwyczaj szybkie.
W edług tego, cośmy powiedzieli w rozdziale III, zdaw ałoby się, że w ystarczyłoby pow tórzyć dośw iadczenia Fedder- sena, zm niejszając pojem ność i sam oindukcyę. W podobny sposób otrzym uje się szybkie oscylacye w ah ad ła, zm niej
szając jego długość.
Nie w ystarcza jed n a k skonstruow ać w ahadło; trzeba jeszcze w praw ić je w ruch. Jest więc rzeczą konieczną, by jak ab ąd ż przyczyna w ychyliła je z położenia rów now agi i żeby następnie przestała działać nagle, to jest w prze
ciągu czasu bardzo m ałego w poró w n an iu z okresem jednego w ahnięciu; bez tego nie będzie się ono w ahało.
Jeżeli n a p rzy k ład ręką odchylić wrah a d ło od położe
n ia pionowego, a następnie zam iast puścić je raptem , po
woli w yciągać rękę, nie rozw ierając palców , ciągle pod
trzym yw ane w ahadło z szybkością rów ną zeru przybędzie do położenia rów now agi i nie przekroczy go wcale.
Jednem słow em czas w yzw alania w a h a d ła pow inien być bardzo m ały w poró w n an iu z okresem oscylacyi; tak więc przy okresach, w ynoszących jed n ą stom ilionow ą se
32
kundy, nie m ógłby być użyty w tym celu żaden u k ład m echaniczny, jakkolw iek krótkim on by się nam w y d a
w a ł w p orów naniu z naszem i zw ykłem i jednostkam i czasu.
Ilertz rozw iązał kwestyę w sposób następujący:
W eźm y nasze w ahadło elektryczne (patrz str. 23) i w drucie, który łączy oba przew odniki, zróbm y przerwę, w ynoszącą kilka m ilim etrów . Połączm y obie sym etryczne części naszego a p a ra tu w ten sposób otrzym ane, z dw om a biegunam i cewki R u h m k o rffa . P rąd ind u k cy jn y w krótce n aład u je oba konduktory, a różnica ich potencyałów bę
dzie w zrastała stosunkow o powoli.
Przerw a początkowo nie pozwoli w yładow ać się prze
w odnikom ; powietrze w tej przerw ie zachow uje się ja k izolator i utrzym uje nasze w ychylone w ah ad ło w poło
żeniu rówfiowagi.
Gdy jed n a k różnica potencyału stanie się dostatecz
nie w ielką, w cewce błyśnie iskra i u to ru je drogę elek
tryczności, zebranej n a k o nduktorach. Przerw a w prze
w odnikach przestanie je w tej chw ili izolować, i nastąpi jakgdyby wyzwolenie nagrom adzonej elektryczności, zn i
knie więc przyczyna, któ ra nie pozw alała w 'ahadłu pow ró
cić do położenia rów now agi. Jeżeli pew ne dość zaw iłe w aru n k i, sta ra n n ie zbadane przez H ertza, będą spełnione, w yładow anie będzie dostatecznie k rótkotrw ałe, aby wy
w ołać oscylacye.
3. Form y w ib ratorów . T ak więc zasadnicze części oscylatora stanow ią:
1) Dwa sk ra jn e przew odniki o dużej względnie po
jem ności, którym cewka dostarcza początkowTo ład u n k ó w
różnoim iennych; przew odniki te w ym ieniają ła d u n k i po każdej pół-oscylacyi.
2) Przew odnik pośredni w kształcie d ru tu , przez który elektryczność przechodzi z jednego ze sk rajn y ch przew odników do drugiego.
3) Iskiernik z m ikrom etrem , um ieszczony w środku przew odnika pośredniego. Jest to m iejsce oporu, który po
zw ala w ychylić w ahadło elektryczne z położenia rów no
wagi: opór ten znika m o m entalnie w chw ili przebiegania iskry, co w yzw ala w ah ad ło i puszcza je w ru ch .
4) Cewka in d u k cy jn a, której bieguny połączone są z obiem a połów kam i w ib rato ra, a które nad aje im pierw sze ła d u n k i. Jest to, że ta k powiem, ręka, w ychylająca w ahadło z położenia rów now agi.
W pierw szym w ibratorze H ertza przew odw ikam i sk ra jn y m i były dwie kule o prom ieniu 15 cm., a prze
w odnikiem pośrednim — d ru t długości 150 cm.
H ertz zastępow ał też kule przez p łytki prostokątne.
Zegnijm y przew odnik pośredni w kształcie prosto
k ą ta i zbliżm y obie blaszki tak , by utw orzyć z n ich zbroje kondensatora płaskiego, a otrzym am y ekscytator B lo n d lo fa
P o in c a re . T e o ry a MaxweH'a.
